预测控制在网络控制中的应用

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网络控制系统由于可实现资源共享,连接线数少、易于扩展和维护等优点,已经成为自动化领域技术发展的热点之一。本文以水轮机调速系统作为网络控制中的被控对象,针对网络控制系统中的丢包现象利用预测控制中的动态矩阵算法设计控制器;针对网络中的不确定短时延,将模糊思想引入动态矩阵中,设计模糊动态矩阵控制器。本文主要工作如下:首先,详细介绍了网络控制系统,分析了网络控制系统与传统控制系统的差别,介绍了由于网络的介入,带来的网络时延、丢包、驱动方式、数据包时序错乱等问题。总结了前人对网络控制的几个主要研究方向。其次,介绍了动态矩阵算法的基本原理以及各个参数对控制性能的影响。针对网络中的丢包现象,提出利用动态矩阵算法设计控制器:在执行器侧,如果控制量发生丢包,当丢包时刻与上次未丢包时刻之间的时间长度小于预测时域长度时,则用上次未丢包时刻控制器对当前步的预测控制量作为本次的控制量,当丢包时刻与上次未丢包时刻之间的时间长度大于预测长度时,则用执行器中储存的最近时刻的控制量来控制被控对象;在控制器侧,如果传感器向控制器发送数据时发生丢包,则用丢包前的预测模型和实际模型的误差来修正预测模型。再次,本文以水轮机调速系统作为网络控制系统的被控对象,介绍了水轮机调速系统的结构、调节目的等。利用机理建模法,建立了水轮机调速系统在小波动情况下的数学模型。介绍了Matlab中,网络仿真工具箱Truetime的组成以及各个模块功能和使用方法。在Truetime中搭建了水轮机调速系统的网络控制系统,并分别利用动态矩阵算法以及PID设计网络控制器,通过仿真实验,对比两种方法在网络中存在丢包时的控制效果。最后,研究了存在不确定短时延的网路控制系统,提出将模糊思想与动态矩阵算法相结合来设计网络控制器,来适应网络广义被控对象随着网络不确定时延的变化而变化的情况。设计中以动态矩阵参数调节的经验作为模糊控制的知识库,建立模糊规则,通过时延和模糊规则获得适应当前网络情况的动态矩阵参数-控制加权矩阵Q和误差加权矩阵R,然后再利用动态矩阵算法计算控制量。在Truetime的水轮机网络控制系统中,分别用模糊动态矩阵和动态矩阵设计网络控制器,通过仿真实验,对比两种方法在网络中存在不确定短时延时的控制效果。
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